2021, Vol. 40
2. 云南大理农田生态系统国家野外观测研究站, 云南 大理 671004
2. Dali, Yunnan, AgroEcosystem, National Observation and Research Station, Dali 671004, China
我国有几千年的农耕文明，自古就有使用有机肥更新地力的传统，积累了大量有机肥积制和施用的经验[1]。但是，随着畜禽规模化养殖的快速发展，粪污量大且集中，受季节、施用不便等因素制约，农业生产中内部物质能量循环流动的链条中断，粪污由资源变成了污染源[2]。畜禽粪污处理利用引起了社会及学者们的广泛关注。
近年来，国家高度重视养殖粪污资源化利用工作，国务院办公厅印发了《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》（国办发〔2017〕48号），提出全面推进畜禽养殖废弃物资源化利用，加快构建种养结合、农牧循环的可持续发展新格局，为推进畜禽粪肥还田利用提供了根本遵循和目标要求[3]。农业农村部出台了《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》（农办牧〔2018〕1号），指导各地加快推进畜禽粪污资源化利用，促进农牧结合、种养循环农业发展[4]，并与生态环境部联合出台《关于促进畜禽粪污还田利用依法加强养殖污染治理的指导意见》（农办牧〔2019〕84号）和《关于进一步明确畜禽粪污还田利用要求强化养殖污染监管的通知》（农办牧〔2020〕23号），指出到2025年，畜禽粪污综合利用率达到80%，要把畜禽粪肥作为替代化肥的重要肥料来源，着力扩大堆肥、液态粪肥利用，同时明确还田利用标准规范，强化粪污还田利用过程监管[5]。
本文在分析粪肥分类和标准的基础上，梳理了粪肥还田技术、设备与装备，深入探讨了国内外粪肥污染物控制技术及粪肥还田对环境的影响，以期为指导我国养殖粪肥还田和种养结合绿色发展提供决策参考。
1 粪肥分类及标准目前，养殖粪污资源化利用的主要方式包括肥料化、能源化、饲料化、基质化，其中肥料化利用是重要方向之一[6]。本文的粪肥是指以畜禽粪污为主要原料，通过无害化处理，充分杀灭病原菌、虫卵和杂草种子后作为肥料还田利用的堆肥、商品有机肥、沼渣、粪水和沼液等，可分为固体粪肥和液体粪肥，固体粪肥一般包括堆肥和商品有机肥等，液体粪肥主要指粪水和沼液（表 1）。
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表 1 粪肥分类和标准 Table 1 Classification and standard of livestock and poultry waste |
堆肥是以堆沤腐解的方式将养殖废弃物进行腐熟，是数千年来我国农民传统的提高土壤肥力的重要手段[7]；商品有机肥是以畜禽粪便、秸秆等废弃物为主要原料，通过添加促进发酵的微生物菌剂，经过工厂化发酵腐熟、造粒等一系列工艺后制成的肥料[8]。沼液和沼渣是养殖粪污经厌氧发酵、固液分离后的液态和固态产物，肥效相对稳定；肥水指经无害化过程处理后达到还田质量要求的养殖粪水，粪水为养殖过程中产生的尿液、全部或部分粪便、散落饲料及冲洗水混合而成的液体。
2 粪肥还田技术粪肥还田利用将养分带回土壤，能够培肥土壤，改良地力，解决“用地养地”矛盾，减轻环境压力。2017年农业农村部印发《畜禽粪污资源化利用行动方案（2017—2020年）》，集成创建了资源化利用7种典型技术模式[9]，其中还田技术包括粪污全量收集还田利用、固体粪便堆肥利用、污水肥料化利用等，可分为固体粪肥还田利用和液体粪肥还田利用技术。
2.1 固体粪肥还田利用技术欧美发达国家采用粪肥定量施用的原则，基于养分平衡指导粪肥还田利用[10]。欧盟的硝酸盐法案规定，在硝酸盐敏感区粪肥施用的最大量为170 kg· hm-2·a-1（以氮计），该限值迫使养殖场将多余的粪便运输到其他的农场并加以利用[11]。粪肥在地表的时间越长，氨挥发量越大，将粪肥与表层土壤混合可有效降低养分的损失。深施有利于减少氨的挥发和径流损失，固体粪肥撒施后翻耕、条施后覆土能有效抑制NH3挥发和N2O的排放损失[12]。养分的损失还与季节有关，冬末或初春施肥有利于减少养分损失，从而增加作物对养分的吸收[13]。
多年来，随着我国化肥工业的发展，农田化肥用量迅速增长，固体粪肥用量锐减。近年来国家高度重视养殖粪污资源化利用，固体粪肥利用技术的研究和推广不断深入。如众多学者对有机肥施用于稻麦轮作系统[14]、不同粪肥施用于双季稻[15]、猪粪有机肥施用于玉米[16]、鸡粪堆肥施用于小白菜[17]等进行研究，均证实固体粪肥能够替代部分化肥，且具有增产作用，但这些研究多集中在粪肥施用量的影响，对施用方式、季节等的研究关注较少。
2.2 液体粪肥还田利用技术国外液体粪肥还田利用技术比较成熟，粪水有足够的贮存设施，配套专业化的搅拌设备、施肥机械、施用管网等。在施用方式上可分为表层撒施、条施、浅层注射、深层注射、喷灌等[18-19]。有研究表明，牛场粪水施用于牧草，能够增加牧草产量和品质[20-21]，与施用化肥相比，施用奶牛场粪水显著增加了牧草土壤中无机氮和有效钾的含量[22]。还有学者对液体粪肥长期施用对土壤碳、氮、磷的变化进行了研究[23-24]。
我国液体粪肥主要指经固液分离后且存储一定时间的养殖废水和粪污沼气发酵后的沼液。相比于固体粪肥，液体粪肥产生量大、养分差异明显、还田难度高，目前研究主要集中在施用后对土壤及作物产量等的影响。如XU等[25]的研究表明，施用沼液可提高土壤的养分，增加土壤pH值并促进土壤团粒结构的形成，从而改良土壤。DU等[26]的研究证实，适量牛场沼液连续3 a施用于华北平原小麦-玉米轮作农田，能够保证作物产量，同时避免土壤硝态氮的淋溶。目前，我国对液体粪肥适宜用量、施肥方式、施肥季节等的研究还相对缺乏。郭海刚等[27]的研究显示，在冬小麦越冬期、拔节期和灌浆期施用粪水，冬小麦产量可比农民习惯施肥提高4.61%~6.63%。杜会英等[28]的研究表明，冬小麦-夏玉米轮作体系粪水适宜氮带入量为160~240 kg·hm-2。
3 粪肥还田对土壤环境及温室气体排放的影响 3.1 粪肥还田对土壤有机质的影响土壤有机质是土壤理化性质的重要组成部分，粪肥施用可提高土壤有机质含量，增强土壤碳的固持。KHALIQ等[29]的研究表明，有机与无机肥配合施用能提高土壤有机质含量3%~9%。徐明岗等[30]通过41个长期定位施肥试验发现，没有施用粪肥的土壤，有机质平均减少约10%，而施用粪肥配施钾肥的土壤有机质基本能保持平衡甚至略有增加。粪肥施用时间越长，土壤有机质提高幅度越大。施用粪便有机肥30 a，西北地区和华北地区土壤有机质含量平均增加51%和68%，南方旱地和长江流域水田土壤有机质含量平均增加24%[31]。粪肥施用可增加土壤团聚体的稳定性，加强对碳基的保护作用，从而提升土壤碳的固存[32]。JIANG等[33]的研究表明，长期施用粪肥可显著增加土壤有机碳的总含量以及增强大团聚体中土壤有机碳的转化。HUANG等[34]研究发现，连续27 a施用粪肥的稻田土壤总有机碳可提高25.5%。除增加土壤有机质的总量外，粪肥施用还能优化土壤腐殖质组成，即增加胡敏酸（HA）的含量，提升胡敏酸/富里酸（FA）的比例[35-36]。
3.2 粪肥还田对土壤氮磷养分的影响粪肥还田可显著提高土壤氮磷养分含量。温延臣等[37]的研究表明，与单施化肥相比，长期施用有机肥及有机/无机肥配施（50%化肥+50%有机肥），土壤剖面（0~40 cm）全氮含量分别增加79.6%和30.1%，碱解氮含量分别增加50.5% 和3.9%；土壤剖面（0~60 cm）有效磷含量约是单施化肥的7.2倍和3.3倍。颜雄等[38]的研究也证明，有机无机肥配施处理使土壤的全氮提高了68.5%，同时明显提高了土壤全磷含量。粪肥还田对土壤氮磷养分含量影响与粪肥投入量相关。YANG等[39]通过长期定位试验，证实单施化肥、粪便有机肥或有机无机肥配施能显著增加土壤全氮，且随着有机肥投入比例的增加，土壤全氮呈增加趋势。施用有机肥也可提高土壤中速效养分含量，改善土壤地力。张鑫等[40]的研究结果表明，与常规施肥相比，施用有机肥土壤碱解氮增加了9.82%，有效磷增加了19.60%。秦海娟等[41]研究发现，与常规施用化肥处理相比，施用粪便有机肥处理的土壤碱解氮和速效磷含量分别显著提高27.8% 和21.2%。HARTL等[42]的研究结果显示，施用堆肥5 a后土壤速效钾含量比不施堆肥平均增加26%。
3.3 粪肥还田对土壤微生物的影响土壤中的微生物数量庞大、种类繁多，是丰富的微生物资源库[43]，被称为地球关键元素循环过程的“引擎”[44]。土壤中有机质的分解与积累、氮素转化及温室气体排放等重要过程都与微生物的活动密切相关。CUI等[45]的研究表明，粪肥的合理施用能够提升土壤有机质含量，增加土壤微生物的生物多样性。长期平衡施用粪肥和化肥不仅可以增加有机物质库和养分利用率，还可以增强根际细菌群落的生物多样性和放线菌的丰度，有助于农业生态系统的可持续发展。与无机肥相比，长期施用粪肥能够提高土壤微生物多样性，且不同施肥类型导致表层土壤微生物的碳水化合物和氨基酸代谢图谱产生变化[46]，而且进一步影响了耕层（20~40 cm）下土壤的微生物活性[47]。XU等[25]的研究表明，施用中等浓度的沼液（165.1 t·hm-2）能够提高水稻和油菜产量、土壤肥力和细菌多样性。然而也有研究表明，在华北平原小麦玉米轮作农田中长期施用猪场粪肥，虽然显著提高了氨氧化细菌丰度，但由于硝化速率加快导致土壤氮素淋失风险增加[48]。利用奶牛粪污厌氧发酵后的沼液灌溉稻田，随着年限的增加，土壤微生物群落的物种丰富度和多样性逐渐降低[49]。
3.4 粪肥还田对土壤重金属的影响粪肥还田是农田土壤重金属污染的重要来源，长期施用粪肥，土壤中的重金属含量呈累积升高趋势[50]。有研究显示，长期施用猪粪的土壤中Cu、Zn和As的含量分别为不施用猪粪土壤的11、5倍和2倍[51]。朱奇宏等[52]对太湖周边地区的蔬菜基地土壤的调查发现，施用猪粪肥后的土壤中Cu等重金属的含量是背景值的2倍。不同粪便来源的粪肥施用后重金属含量具有明显差异，NICHOLSON等[53]调查了英格兰和威尔士农田中重金属的来源，发现土壤中的Zn和Cu有30% 来自畜禽粪肥，其中大部分来自施用量较大的牛粪。长期使用粪肥产生的累积效应极有可能使土壤中重金属的含量超过国家标准。如杨乐等[54]在新疆伊宁用猪场沼液灌溉蔬菜的试验中发现，连续5 a施用沼液的土壤中Cd、Cu和Se已出现超标现象。刘向林等[55]在山东烟台的鸡粪沼液8 a灌溉试验中发现，玉米种植土壤中Pb、As和Cd的超标率约为33%。黄治平等[56]的研究发现，连续以150 m3·hm-2的施用量施用猪粪于蔬菜温室中，土壤中全Cu和全Zn含量可能分别经过10 a和15 a将会超过国家农田土壤二级标准。
3.5 粪肥还田对农田土壤抗生素和抗性基因的影响畜禽粪肥是环境中抗生素残留和抗性基因的主要来源之一，国内外诸多研究均表明，粪肥还田可增加土壤中抗生素残留和抗性基因丰度。国内学者阮蓉等[57]以天津市蓟州区20个不同类型家庭农场为对象，对比了施用和未施用粪肥土壤中抗生素残留情况，结果显示，鸡场、猪场和牛场施粪土中抗生素总浓度分别到达1 291.06、423.48 μg·kg-1和22.48 μg·kg-1，分别是未施粪土的12.6、35.9倍和9.7倍，且四环素类（TCs）浓度最高，喹诺酮类（FQs）次之（图 1）。有研究显示，连续6 a施用沼肥的土壤中抗生素类兽药残留检出率为42%，其中四环素类和喹诺酮类抗生素残留量分别可达到3.9 mg·kg-1和14.3 mg·kg-1，均远超过国际兽药协调委员会（VICH）规定的土壤中抗生素残留允许限量（0.1 mg·kg-1），表明沼液还田存在土壤抗生素污染风险[58]。对于抗性基因（ARGs）亦是如此，国内学者谷艳茹等[59]研究发现畜禽粪肥施用可显著增加土壤环境中ARGs的丰度，其中鸡粪肥的施用对土壤ARGs影响最大，其相对丰度增加了18倍，而施加猪粪肥和牛粪肥亦使其分别增加了14倍和8倍。国外研究也表明，粪肥使用会增加土壤中抗生素和抗性基因丰度。例如，MARTI等[60]在施用猪粪的土壤与其上生长的蔬菜中都检测到多种ARGs。另有研究表明，粪肥还田增加了土壤中大环内酯-林可酰胺-链霉菌素B（MLSB）、四环素类、氨基糖苷类、β-内酰胺类、多重耐药类ARGs的污染多样性[61]，其中多重耐药基因、氨基糖苷类、β-内酰胺酶和MLSBs类耐药基因丰度水平增加显著[62]。由此可见，限制抗生素在畜禽养殖业中的过量使用非常必要，瑞典和欧盟分别于1986年和2006年禁止动物饲料中使用抗生素作为生长促进剂[63]，我国从2015年开始禁止抗生素作为饲料添加剂，2020年7月开始，企业停止生产含有抗生素生长促进剂的商业饲料[64]。随着抗生素源头使用量的减少，粪肥使用带来的土壤污染亦会有所缓减。
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图 1 不同养殖粪肥施用后土壤中抗生素总浓度 Figure 1 Total concentration of antibiotics in soil after application of livestock and pouttry manure |
粪肥还田对土壤温室气体排放具有较大影响。施用粪肥可增加土壤有机碳含量，改变土壤碳氮比，进而影响农田土壤温室气体的排放[65]。REN等[66]的研究表明，与不施肥处理相比，施用粪肥能显著增加农田CO2、CH4和N2O排放（图 2）。粪肥能够改善土壤结构及土壤孔隙度，增强微生物活性，促进土壤有机质的分解，进而促进土壤CO2的排放[67]。与不施肥处理相比，施用有机肥后土壤CO2的排放量可增加1.6倍[68]。粪肥还田为土壤产甲烷菌提供了丰富的产甲烷基质，同时通过改善土壤理化性质，为产甲烷菌和甲烷氧化菌的生长提供适宜的环境条件，进而促进CH4排放。张黛静等[69]的研究表明，在华北平原小麦- 玉米周年中，增施有机肥比单施化肥土壤CH4排放增加了83%。有机肥通过调节土壤碳氮比影响土壤微生物活性，直接或间接影响N2O排放。黄容等[70]和王聪等[71]研究发现，与常规施用化肥处理相比，粪肥配施化肥显著增加了土壤N2O排放量。不同的农田利用方式也会影响N2O排放。在水稻土壤中，与单施化肥相比，粪肥施用或粪肥化肥配施可分别降低水稻土24% 和7% 的N2O排放量。而在旱地土壤中，粪肥全替代处理可降低N2O排放，但粪肥配施化肥处理增加了土壤N2O排放量[66]。与固体有机肥相比，沼液和养殖肥水中有机碳和铵的可利用性更高，施用后增加了土壤微生物对氧气的消耗，导致更高的N2O排放量[72-73]。
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左侧括号中数字代表Meta分析样本数量，右侧括号中数字代表与不施肥相比，施用有机肥后温室气体排放量增加倍数 Numbers near the bars at the positive side of x axis are the weighted response ratio and the numbers at the negative side of x axis are the numbers of comparisons 图 2 有机肥施用对土壤温室气体排放的影响[66] Figure 2 N2O, CO2 and CH4 emissions affected by manure application compared to non-fertilizer |
施肥设备不仅影响施肥效率，而且影响肥料利用率。随着农业现代化程度的提高和农村劳动力的转移，对施肥机械化的需求越来越高。与化肥施用设备相比，粪肥施用设备的研究和推广相对落后，根据粪肥的物理形态，施用设备可分为固体撒施设备和液体施用设备[74]。
4.1 固体撒施设备固体撒施机根据动力驱动方式、输肥方式以及撒肥方式的不同而具有多种类型。目前，欧美等发达国家的固体粪肥撒施设备已达到较高技术水平，常见的撒施装备有离心圆盘式、桨叶式与锤片式撒肥装置[75]。离心圆盘式撒施机械利用撒肥盘高速旋转产生的离心力对肥料进行抛撒，该种机型具有较大的工作幅宽，适用于流动性较好的颗粒有机肥料，如德国ZA-M系列施肥机施肥幅宽范围为10~36 m，可通过智能平台调控施肥量；但该类撒施机工作时肥料纵向与横向抛撒不均匀，需通过重叠作业加以改善[76-77]。桨叶式撒施机普遍体积庞大，载肥量大，工作效率高，适用于平原大农场作业，肥料经由抛撒桨叶的高速旋转实现破碎以及向后抛撒，具有较大的肥料抛撒幅宽，与离心圆盘式施肥机相似，肥料抛撒在纵、横向分布不均匀[78]。锤片式撒施机大多为侧式抛撒，对粪肥的种类与含量适应性较好，如法国库恩公司ProTwin系列锤片式撒施机（图 3），具有双搅龙输肥装置，抛撒装置由锤片构成，粪肥被锤片快速抽打后，实现破碎、均匀抛撒，但功耗较高[79-80]。
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图 3 法国库恩公司有机肥侧抛机 Figure 3 Kuhn organic fertilizer side thrower from French |
近年来，我国用于固体粪肥施用的机械设备研发取得较快进展。吴爱兵等[81]研制的螺杆式施肥机可撒施高含水率、高含杂率的有机肥，适用范围广；山东天盛机械科技股份有限公司与农业农村部南京农业机械化研究所联合研发的LDFC-2.6履带式撒肥机（图 4），撒肥幅宽4~8 m，容积2.6 m3，适合水田、大棚、果园及大田等工作环境。郝延杰等[82]研发的精准有机肥施肥机可精准调节施肥量和幅宽，同时可对料箱与施肥情况进行实时监控。
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图 4 我国LDFC-2.6履带式撒肥机 Figure 4 LDFC-2.6 crawler manure spreader from China |
液体有机肥施肥机主要由罐体、抽吸装置、洒施装置和行走系统构成，工作方式分为地表喷洒和深施，基本工作原理为肥料罐经充气加压后，液肥经由总管、分配器均匀稳定分配至各分管，喷洒于地表或深施至合适土层[83]。地表喷洒式液体施肥机的施肥装置为喷枪或喷头，液体有机肥经由喷枪或喷头喷洒至地面，该施肥机结构简单、工作阻力小，作业效率高，但存在喷洒不均匀、重施、漏施现象。美国凯斯“爱国者”3230型液体施肥机，喷洒控制采用凯斯专利技术，降低了作业过程中漂移和后滴效果，可保持恒定的喷洒压力，适合大药量高速作业[84]。深施式液体施肥机是将有机肥直接注入到土壤中，使农作物地下根系可充分吸收养料，降低了液体肥的挥发和流失，同时减少对环境的污染，但对机械设备要求较高，如美国约翰迪尔公司的2510L型液体施肥机，其作业幅宽可达20 m，施肥深度可达508 mm[85]。为应对日益严格的环境保护政策，提高液体粪肥机械还田效率，德国荷马（Holmer）机械制造有限公司开发了系列自走式粪肥还田机械，与牵引式设备相比机动性能更强，田间工作时速达到32 km·h-1，一体化轻量设计避免土地压实，而且可配备不同的施肥装置，进行托管式或注入式施肥（图 5）。拖管式还田装备通过拖管将储存在田间地头的沼液池/粪污池中的有机液肥输送至施肥机具中进行洒施还田，根据挂载的施肥机具，可直接喷洒，也可浅/深施（图 6）。该还田方式不需配备罐车，无需考虑罐车防腐、压力保险等问题，但作业距离受限，拖管滑动易损伤植被。
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图 5 德国Holmer液体粪肥还田机械 Figure 5 Holmer slurry returning machine from Germany |
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图 6 北爱尔兰SlurryKat公司液体粪肥施用设备 Figure 6 SlurryKat slurry returning equipment of Northern Ireland |
与发达国家相比，我国液体粪肥洒施设备研发还处于起步阶段。如北京国科诚泰农牧设备有限公司研发了SP、FLEX系列浅/深施式液肥还田机械（图 7），容积9~23 m3，施肥幅宽12~24 m；董和银等[86]研制的9YPE-10型液态肥施肥机由拖拉机牵引行进，使用真空泵作为动力驱动，可进行液态肥的自动吸取和机械化撒施作业；李文哲等[87]研究设计了沼液沼渣暗灌施肥机，使用脉冲式分配器，降低了出口处的堵塞现象，具有较好的田间施肥质量。但总体上，我国液体有机肥施肥装置主要是从国外进口，设备的研发和制造尚处于引进消化吸收阶段，成熟的产品较少，液体施肥机的研发还有很大的发展空间。
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图 7 北京国科诚泰农牧设备有限公司液肥还田机 Figure 7 Liquid fertilizer returning machine from China |
（1）加强粪肥还田技术创新。粪肥还田利用相关研究应用技术多、基础理论少，单项技术多、集成模式少。面对绿色发展新形势、新任务、新要求，亟需深刻阐明畜禽粪肥生命周期养分流动与机理机制，突破粪肥科学还田、养分高效利用技术瓶颈，制定适应不同区域粪肥还田利用整体方案，为农业绿色发展提供技术支撑。
（2）完善粪肥还田利用监测体系。加强养殖粪肥中营养元素、主要污染物监测、监控技术设备研发，构建涵盖养殖舍内、场区、农田等不同尺度的粪污/粪肥收集、储存、运输、利用各环节监测体系，建立大数据库，指导粪肥科学利用。
（3）重视粪肥还田的环境与安全风险。重金属、抗生素、抗性基因是畜禽养殖粪肥中普遍存在的典型污染物，其还田利用可能造成的风险应得到足够的重视。特别是与固体粪肥相比，液体粪肥产生量大、储存运输难，长期且超量施用现象较普遍，更应对由此产生的土壤、地下水、农产品的环境污染和农产品安全等风险进行科学评估。
（4）创新粪肥还田补贴与绿色认证机制。出台畜禽粪肥还田利用补贴政策，如建立耕地地力补贴与粪肥还田利用挂钩机制（按照养分平衡要求施用粪肥可获得补贴），探索建立种养循环农产品品牌认证制度，实现农产品优质优价。
致谢: 在论文撰写过程中，得到了支苏丽、杨凤霞、高文萱、丁永祯、王风和常兴平等的大力支持。
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